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FOTON-OHM UMR CNRS 6082            

 

 

Spectroscopie infra-rouge par transformée de Fourier (FTIR)

1- Présentation du FTIR

(a) Principe du FTIR

Le FTIR (Fourier-Transform Infrared Spectrometer) est un spectromètre à transformée de Fourier dans le domaine de l'Infrarouge. Le modèle utilisé est un FTIR Bruker, modèle IFS 113 qui permet de faire des mesures sous vide et à basse température. Le principe en est simple : une source de lumière blanche éclaire un interféromètre de Michelson fonctionnant en lame d'air. Celui-ci crée un système d'interférences qui est renvoyé sur l'échantillon. L'échantillon ne laisse passer qu'une partie de l'intensité du signal (il absorbe l'autre). Le signal transmis est détecté pas un détecteur Germanium. Une transformée de Fourier du signal est ensuite réalisée par ordinateur, et l'on a ainsi accès directement au coefficient de transmission (T), à l'absorbance ( a L), ou à la densité optique de l'échantillon (en fonction de la longueur d'onde) par la relation :

 


où I 0 est l'intensité incidente sur l'échantillon, I l'intensité émergente de l'échantillon, le coefficient d'absorption en m -1 , L la largeur de la couche traversée en m, et D.O. la densité optique de l'échantillon.

Sur le schéma ci-joint, R1 est une source de lumière blanche, MM est la séparatrice du Michelson pouvant se déplacer à l'aide d'un moteur sur une distance d'environ 20 cm , F1 et F2 sont les voies de positionnement de l'échantillon, suivant qu'on travaille en transmission ou en réflexion, et D1 et D2 sont les détecteurs reliés à l'ordinateur.

figure 1  : Schéma des composants optiques du FTIR et photo de l'appareil

Tout l'avantage de ce procédé est d'avoir accès instantanément à la densité optique pour toute une gamme de longueur d'onde. En effet, au cours de la mesure, la séparatrice oscille autour de la position du contact optique. Ainsi, pour une mesure, on balaye toutes les fréquences spatiales dans l'espace de fourier. En pratiquant une FFT (Fast Fourier Transform), on remonte donc à la grandeur conjuguée : le nombre d'onde. Celui-ci est l'inverse de la longueur d'onde et le spectre peut ainsi être tracé comme le montre l'expression de la transformée de Fourier.

(b) Expression de la transformée de Fourier

Si l'on considère une vibration lumineuse monochromatique de la forme : , la vibration lumineuse en sortie du Michelson s'écrit :

R est le coefficient de réflexion sur la séparatrice, est le nombre d'onde et la différence de marche induite par les deux branches du Michelson.

Le signal détecté, en moyennant sur le temps de réponse du détecteur bien plus long que la période optique, est alors de la forme :

En étendant ce calcul à une source polychromatique, il vient :

Par transformation de Fourier inverse, on retrouve la répartition spectrale :

On voit bien apparaître ici les deux grandeurs conjuguées : (accessible à l'expérience) et .

Ainsi, on peut donc mesurer directement la densité optique en fonction de la longueur d'onde. Mais il existe de nombreuses difficultés expérimentales liées à l'appareil lui-même.

2- Mesures FTIR

Le FTIR permet de caractériser l'absorption ou la réflection de couches épitaxiées, mais aussi de déterminer l'épaisseur, ou l'indice de ces couches dans le cas de micro-cavités.

figure 2  : Mesures d'Absorbance sur des nanostructures (puits quantiques et boites quantiques) , et mesures de réflectivité sur des miroirs de Bragg


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